休克尔近似分子轨道理论和前线轨道理论的应用
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分子轨道理论的发展及其应用0 前言化学键是化学学科领域中最为重要的概念之一。
通常,化学键被定义为存在于分子或晶体中或两个或多个原子间的,导致形成相对稳定的分子或晶体的强相互作用。
从二十世纪初期至今,科学家们为了解释化学键现象相继提出了价键理论、分子轨道理论、配位场理论等化学键理论。
其中分子轨道理论(Molecular Orbital Theory)具有容易计算、计算结果得到实验支持的优势,并不断得到完善与拓展,因而自二十世纪五十年代以来,已经逐渐确立了其主导地位。
目前,作为相对最为成熟的化学键理论,分子轨道理论的应用已经涵盖了化学研究的几乎全部领域中。
1 分子轨道理论发展1926至1932年,Mulliken和Hund分别对分子中的电子状态进行分类,得出选择分子中电子量子数的规律,提出了分子轨道理论-。
分子轨道理论认为,电子是在整个分子中运动,而不是定域化的。
他们还提出了能级相关图和成键、反键轨道等重要概念。
1929年,Lennard-Jones提出原子轨道线性组合(Linear Combination of Atomic Orbitals)的理论。
后来,原子轨道线性组合的思想被应用于分子轨道理论中,成为分子轨道理论的基本原理。
这一原理指出,原子轨道波函数通过线性组合,即各乘以某一系数相加得到分子轨道波函数。
这种组合要遵循三个基本原则,即:组合成分子轨道的原子轨道必须对称性匹配;组成分子轨道的原子轨道须能级相近;原子轨道达到最大程度重叠以降低组成分子轨道的能量。
其中,最重要的是对称性匹配原则,对称性相同的原子轨道组合成能量低于自身的成键分子轨道,对称性相反的原子轨道组合成高于自身的反键分子轨道。
1931-1933年,Huckel提出了一种计算简便的分子轨道理论(HMO),是分子轨道理论的重大进展。
HMO理论的基本思想是,把两电子间的相互作用近似地当做单电子的平均位场模型处理,导出单电子运动方程:Hψ=Eψ 其中H是该电子的Hamilton算符,ψ是该电子所占据的分子轨道波函数,E为轨道能量。
休克尔分子轨道法是处理
休克尔分子轨道法基于一种准确的统计物理理论——即量子力学,描述了物质由原子组成、由粒子形成,以及这些粒子之间的相互作用。
该方法根据分子在空间内的原子布局,用硅半导体材料的局域化结构
描述器,将分子的性质拆成电子态形式,来解答原子和分子的性质。
休克尔分子轨道法可以用来计算任意分子的比较精确地能量,决
定其相对属性和结构;通过Roothaan-Hall算法可以用来计算分子结构;可以用来研究任何元素间的电子结构和相互作用,模拟任何特定
原子或分子结构;可以研究大分子复杂性,以及计算分子的电子确定性、稳定性和振动模式。
休克尔分子轨道法应用广泛,它不仅被用于化学研究,而且应用
于物理、材料、生物、作业及新能源研究,包括分子动力学、原散射
以及耦合等。
而且,它也可用于分析结构变化量,如构象度、构形旋
转角、拉格罗斯坐标等,以及分子动力学模拟过渡态,结构优化和合
成路径。
总之,休克尔分子轨道法是一种研究和计算复杂物质的重要方法,它可以用来精确地计算分子的性质,可以用作物理和化学研究的重要
工具之一,发挥着广泛的应用价值。
配位化学论⽂(分⼦轨道理论的发展及其应⽤)【最新版】配位化学论⽂(分⼦轨道理论的发展及其应⽤)⼀、前⾔价建理论、分⼦轨道理论和配位场理论是三种重要的化学键理论。
三、四⼗年代,价键理论占主要的地位。
五⼗年代以来由于分⼦轨道理论容易计算且得到实验(光电能谱)的⽀持,取得了巨⼤的发展,逐渐占优势。
价建理论不但在理论化学上有重要的意义(下⽂中将详细介绍)。
在应⽤领域也有重要的发展,如分⼦轨道理论计算有机化合物的吸收光谱⽤于染料化学;前线分⼦轨道理论在选矿中的研究等等。
⼆、简介1、分⼦轨道理论产⽣和发展在分⼦轨道理论出现以前,价键理论着眼于成键原⼦间最外层轨道中未成对的电⼦在形成化学键时的贡献,能成功地解释了共价分⼦的空间构型,因⽽得到了⼴泛的应⽤。
但如能考虑成键原⼦的内层电⼦在成键时贡献,显然更符合成键的实际情况。
1932年,美国化学家Mulliken RS和德国化学家Hund F 提出了⼀种新的共价键理论--分⼦轨道理论(molecular orbital theory),即MO法。
该理论注意了分⼦的整体性,因此较好地说明了多原⼦分⼦的结构。
⽬前,该理论在现代共价键理论中占有很重要的地位。
以下是各个年代提出的关于分⼦轨道理论的⼀些重要理论和⽅法,是分⼦轨道理论发展过程中的⼏个⾥程碑!1926-1932年,在讨论分⼦光谱时,Mulliken和Hund提出了分⼦轨道理论。
认为:电⼦是在整个分⼦轨道中运动,不是定域化的。
他们还提出能级图、成键、反键轨道等重要的概念。
1931-1933年,Hukel提出了⼀种简单的分⼦轨道理论,⽤于讨论共轭分⼦的性质,相当成功。
1950年,Boys⽤Guass函数研究原⼦轨道,解决了多中⼼积分问题,是今天⼴为利⽤的⾃洽场分⼦轨道理论的基础,在量⼦化学的研究中占有重要地位。
1951年,Roothaan在Hartree-Fock⽅程的基础上,把分⼦轨道写成原⼦轨道的线性组合,得到Roothaan⽅程。
分子轨道理论的发展及其应用王玥珉(安庆师范学院化学化工学院12级化学1班160112008)摘要:分子轨道是指分子中每个电子是在原子核与其他电子组成的平均势场V中运动,其运动状态可用单电子波函数ψi表示.分子轨道理论的基本观点是把分子看做是一个整体,其中电子不再从属于某一个原子而是在整个分子的势场范围内运动,分子轨道理论是基于单电子近似来处理双原子分子及多原子分子结构的一种有效的近似方法.现常用休克尔分子轨道理论、前线轨道理论来表示分子轨道理论,分子轨道理论在用来解释配合物的稳定性、芳香性物质的稳定性以及有机化学中的迪尔斯阿尔德反应的运用中有着明显的优势,在未来的发展中分子轨道将会走出理论向着实际应用的方向发展.关键词:分子轨道;分子结构分子轨道理论(Molecular Orbital,简称MO)最初是由Mulliken和Hund提出,经过Huckel (简单分子轨道理论,简称HMO),Roothaan(自洽场分子轨道理论),福井谦一(前线分子轨道理论,简称FMO),Woodward和Hoffmann(分子轨道对称守恒原理)等众多科学家的不断探索,形成了一套成熟的理论,与价键理论(VB)和配位场理论(LF)一通解决分子结构问题。
分子轨道理论经过半个世纪的迅猛发展,已经成为当代化学键理论的主流。
如今多用于共轭分子的性质的研究,量子化学的研究,分子的化学活性和分子间的相互作用的研究,基元化学反应的研究,指导某些复杂有机化合物的合成。
一、分子轨道理论产生,分子轨道的含义,常用的构成分子轨道的方法1、分子轨道理论产生1926一1932年,在讨论分子(特别是双原子分子)光谱时,Mulliken1和Hund2分别对分子中的电子状态进行分类,得出选择分子中电子量子数的规律,提出了分子轨道理论.分子轨道理论认为,电子是在整个分子中运动,而不是定域化的.他们还提出能级相关图和成键、反键轨道等重要概念.1931一1933年,Huckel提出了一种简单的分子轨道理论(HMO),用以讨论共扼分子的性质,相当成功,是分子轨道理论的重大进展。
前线轨道理论及其应用摘要:前线轨道理论是一种简化且有效的分子轨道理论。
它能成功地说明大量反应事实和规律。
本文综合了数篇文献的研究内容,介绍前线轨道理论及其应用情况。
关键词:前线轨道理论; 应用1.前言前线轨道理论是由福井谦一教授于五十年代初提出的一种化学理论,它以分子轨道理论为理论基础,但是没有超越实验化学家的经验和理论范围,以其简单、有效和化学概念明确的特点,赢得了众多科学工作者的关注。
本文综合了数篇文献的研究内容,将2.理论思想早在1952年福井[1]就在HMO理论的基础上提出了最高占据轨道(highest occupied MO)、最低空轨道(lowest unoccupied MO)的概念。
并称HOMO, LUMO 这两种特殊的分子轨道为“前线轨道”[2]。
考虑到在化学反应中原子的价电子起着关键作用,可以联想到,在分子的所有MO中,能量最高的HOMO上的电子最活泼最易失去;能量最低的LUMO最易接受电子。
因此,有理由认为在分子反应中,这些特殊的MO贡献最大,对反应起主导作用。
这一概念和观点,起初只引起了极少数人的注意。
但是福井等人却注意到了这一点,并且进行了深入的研究。
他们将“前线轨道及各种前线轨道间的相互作用”发展成为了解分子反应能力和预测反应机理的强有力的理沦方法—“前线轨道理论”,35年来前线轨道理论大致经过了七个重要发展阶段[3]。
前线电子密度基本概念的提出和研究;前线电子密度在共轭化合物中应用的研究;在饱和化合物中应用的研究;在立体选择反应中推广应用的研究;解释,说明化学反应中的HOMO-LUMO的相互作用;建立化学反应途径的极限反应坐标理论(简称IRC);提出化学反应的相互作用前线轨道理论(简称IFO)。
今天,这一理论已成为讨论化学问题的必不可少的工具,对于人们的化学实践具有重要的指导意义。
3.前线轨道理论分子中的轨道根据电子填充情况不同可分为被占轨道,空轨道和半占轨道[4]。
休克尔分子轨道理论的应用08应用化学(2)班1实验目的1.1巩固和加深理解本课程中所学的有关知识。
1.2掌握HMO 法处理共轭分子的方法。
1.3学会用HMO 法处理共轭分子所得的结果讨论分子的性质。
2实验原理若共轭分子中每个π电子k 的运动状态用一个单电子波函数ψi 来描述,其Schrdinger 方程为:对含有n 个C 原子的共轭分子,由每个C 原子提供一个p 轨道线性组合可得分子轨道如下:再根据线性变分法可得久期方程(用简单分子轨道法(HMO )处理共轭分子,当展开久期行列式时,得到的多项式成为本征多项式。
) 并引入下列假设化简可求出n 个,将每个值代回久期方程,得和,进一步计算电荷密度,键极,自由价, 作分子图,根据结果讨论分子的性质。
ii i ΨΕπΨΗ=ˆ∑==ni iiφC Ψ1电荷密度i ρ, ∑=k ki ki c n2ρ键级ij p , ∑=kkj ki kij c c np自由价i F ,∑-=iij i p F F maxHMO 法是个经验性的近似方法,定量结果的精确度不高,但在预测同系物的性质,分子的稳定性和化学反应性能,解释电子光谱等一系列问题上,显示出高度的概括力,因此被广泛应用。
3实验步骤3.1自选一些直链共轭烯与一些单环共轭多烯:3.1.1写出乙烯,烯丙基,丁二烯,戊二烯基,己三烯的本征多项式; 3.1.2写出C 6H 6的本征多项式;3.1.3求解C 4H 4,C 6H 6的久期行列式,画出它们的分子轨道能级图,解释4m+2规则; 3.1.4用HMO 法处理丁二烯,己三烯分子,并结合分子轨道的对称性守恒原理讨论丁二烯,己三烯衍生物电环合反应在光照和加热条件下的产物的立体构型。
3.2分析分子中п键的形成情况,画出分子骨架并编号,再写出久期方程式,久期行列式,本征方程,本征多项式。
3.3求得п分子轨道波函数,画出分子轨道及能级图,计算电荷密度,键极,自由价,作分子图。
休克尔分子轨道
休克尔分子轨道是指一种用于描述分子中电子结构的数学模型。
在量子化学中,休克尔分子轨道被用来描述分子的电子分布情况,它是通过对分子中原子轨道的线性组合得到的。
休克尔分子轨道通常用于简单的分子体系,能够提供关于分子结构和化学键的信息。
休克尔分子轨道模型的基本假设是分子中的电子运动是围绕原子核而不是其他电子运动的平均场。
这一假设使得休克尔分子轨道成为一种较为简单但有用的描述分子结构的方法。
利用休克尔分子轨道理论,可以计算出分子的能量、电子分布和反应性等性质,为理解和预测分子的行为提供了重要的手段。
总的来说,休克尔分子轨道是量子化学中的一个重要概念,它为我们理解分子的电子结构和性质提供了重要的理论基础。